物聯網智能家居論述(共34頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上PINGDINGSHAN UNIVERSITY專心-專注-專業(yè) 基于物聯網的智能家居系統(tǒng)設計摘 要 物聯網作為朝陽的產業(yè)，被列為國家五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)之一。物聯網是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成形成智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境。 物聯網智能家居通過家居智能管理系統(tǒng)的設備來實現家庭安全、舒適、信息交互與通信的能力

2、。本文結合了物聯網和智能家居的相關技術，將傳感器、控制器等設備通過無線技術連接和采集數據信息的處理，實現了使用傳感器采集室內溫度，光線等數據，在嵌入式終端中進行信息的讀取和處理，做出相應的操作。整個過程涉及到基于ZigBee的無線傳感網絡和GPRS手機通信模塊的應用。該設計分為以下幾個部分：一、首先分析課題來源與市場需求，然后對整個系統(tǒng)進行了概述；二、對該系統(tǒng)的框架進行介紹；三、對整個系統(tǒng)的軟硬件設計進行詳細的介紹。本論文設計是基于物聯網和智能家居相結合的背景下，實現了對家居環(huán)境中的光線，溫度，煙霧等因素的實時監(jiān)測，并通過GPRS通信模塊和管理系統(tǒng)作出相應的控制，以提升家居環(huán)境的安全性、舒適性

3、、便利性。關鍵詞：物聯網，智能家居，無線傳感網絡，GPRSThe smart home system design based on the Internet of ThingsAbstract Things as a sunrise industry, is listed as one of the country five emerging strategic industries. The Internet of Things through radio frequency identification, infrared sensors, global positioning syst

4、ems, laser scanners and other sensing devices, according to the agreed protocol, any items connected to the Internet together, exchange of information and communication in order to achieve intelligent identification, positioning , tracking, monitoring and management of a network. Smart Home is a res

5、idential platform, integrated wiring technology and network communication technology, security technology, automatic control technology, audio and video technology will be the home life of the equipment integrated formation of the living environment of the smart home system. Internet of Things smart

6、 home smart home management system equipment home security, comfort, information exchange and communications capabilities. This article combines the Internet of Things and smart home technology, sensors, controllers and other devices through wireless technology to connect and collect data processing

7、 data using the sensor to collect the indoor temperature, light, etc., in the embedded terminal read and make the appropriate action. The whole process involves the application of ZigBee-based wireless sensor networks and GPRS mobile communication module. The design is divided into the following sec

8、tions: a first analysis of the subject source and market demand, and then provides an overview of the entire system; the framework of the system are described; described in detail, the entire system of hardware and software design .This thesis is based on the Internet of Things and the smart home is

9、 a combination of background, factors such as light, temperature, smoke in the home environment of real-time monitoring and control via GPRS communication module and a management system to make the appropriate, to enhance the home environmental safety, comfort and convenience.Keywords: Internet of T

10、hings, Smart Home, Wireless Sensor Networks , The GPRS目 錄1 緒論隨著人們生活水平的提高和科技的發(fā)展，家居智能化已成為一種必然趨勢而深入千家萬戶。家居智能化是利用計算機、通信、網絡、電力自動化、信息、結構化布線、無線等技術將所有不同的設備應用和綜合功能互連于一體的系統(tǒng)。它以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網絡家電、通信、家電設備自動化、遠程醫(yī)療、家庭辦公、娛樂等功能，集系統(tǒng)、結構、服務、管理為一體的安全、便利、舒適、節(jié)能、娛樂、高效、環(huán)保的居住環(huán)境。1.1 物聯網智能家居系統(tǒng)概述這個章節(jié)主要分三個部分介紹：物聯網智能家居系統(tǒng)的開發(fā)背景，開發(fā)意義和應

11、用現狀。 1.1.1 物聯網智能家居系統(tǒng)開發(fā)背景2009年1月，IBM公司提出了“智慧地球”的理念；2009年8月，溫家寶在中科院無錫高新微納傳感網工程技術研發(fā)中心考察時，提出了“感知中國”。物聯網被預言為繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業(yè)第三次浪潮，一時間很多人預見到了一場新的技術革命?，F代社會努力創(chuàng)造著舒適的環(huán)境，空調的出現讓人們得到了舒暢的體驗。在使用空調時，人們出現了兩種心態(tài)，有的人怕浪費電，在家里沒人的時候把空調關掉，可是回到家時卻不得不面對冷冰冰或熱烘烘的情況；也有的人為了舒適一直開著空調，長時間地讓空調運轉既費電又影響使用壽命。進入新世紀，我國人民的物質文化生活水平不

12、斷提高，移動通信的飛速發(fā)展給人們的生活注入新鮮血液，豐富了人們的生活。眾所周知，越來越多的人擁有自己的手機，而我國移動網絡的鋪建將使我們更好地在移動網絡的世界里遨游，如果能夠通過手機來遠程控制家里的空調，讓人們在到家之前把家里的空調打開，當我們邁進家門時，舒適的溫度會使我們的心情更加愉悅1。在互聯網已經普及的今天，互聯網已經聯系起了每一個人，隨著各種消費電子的智能化，還有無線傳感器的迅速發(fā)展，人們想到了是否可以用網絡將每一個物體都聯系起來，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。這樣就形成了一種新的網絡，被稱為物聯網。物聯網的核心仍然是互聯網，通過各種有線和無線網絡與互聯網融合，將物

13、體的信息實時準確地傳遞出去。而從20世紀80年代開始，隨著大量采用電子技術的家用電器面世，直到現在，經過了30年的發(fā)展，家用電器已經普及，而且具有了很高的智能化。這時人們便開始追尋一種更加智能的家庭管理方式，希望實現安保，防災，家電一體化控制，這就是智能家居的原型。對于物聯網的出現，大大加快了智能家居的發(fā)展。在國家大力推動工業(yè)化與信息化兩化融合的大背景下，物聯網將是家居行業(yè)乃至更多行業(yè)信息化過程中一個比較現實的突破口。一旦物聯網大規(guī)模普及，無數的物品需要加裝更加小巧智能的傳感器，用于家居設備的傳感器與電子標簽及配套的接口裝置數量將大大超過目前的手機數量，物聯網是下一個超過萬億的行業(yè)。1.1.2

14、 物聯網智能家居系統(tǒng)意義社會經濟的發(fā)展，信息化程度的不斷提高，人們生活節(jié)秦的不斷加快，使人們對居家環(huán)境智能化的程度也提出了更高的要求。當人們離開自已的居住環(huán)境時，如何獲取家中的環(huán)境信息，已成為一種現實需求，基于Internet 與GSM 網成為可選擇的發(fā)展方向。利用互聯網傳輸信息具有信息量大、直觀等優(yōu)勢，但目前實現成本相對較高，阻礙其進入普通家庭。近年來，短消息業(yè)務（SMS）作為GSM 的一種增值服務，隨著GSM網絡覆蓋范圍的不斷擴大，得到了迅速發(fā)展，它具有傳輸速度快，費用低，不占用語音通信通道等優(yōu)點,本系統(tǒng)重在研究基于SMS 短信業(yè)務，一種操作方便、經濟、實用、可擴展性好的智能家居控制系統(tǒng)2

15、。物聯網智能家居產品融合自動化控制系統(tǒng)、計算機網絡系統(tǒng)和網絡通訊技術于一體，將各種家庭設備(如音視頻設備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調控制、安防系統(tǒng)、數字影院系統(tǒng)、網絡家電等)通過智能家庭網絡聯網實現自動化，通過寬帶和無線網絡，可以實現對家庭設備的遠程操控。與普通家居相比，智能家居不僅提供舒適宜人且高品位的家庭生活空間，實現更智能的家庭安防系統(tǒng);還將家居環(huán)境由原來的被動靜止結構轉變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交互功能。物聯網中的無線傳感器應用對家庭的智能防災，燈光控制，以及家電聯網都提供了一種很好的解決辦法。而且使用GPRS通信模塊，可以將家庭中的突發(fā)事件信息告知戶主，并且進行智能報警。

16、這樣就極大降低了家庭意外災難的損失3。1.1.3 物聯網智能家居系統(tǒng)現狀智能家居是利用微處理電子技術，來集成或控制家中的電子電器產品或系統(tǒng)。家庭網絡是在家庭范圍內（可擴展至鄰居、小區(qū)）將PC、家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和廣域網相連接的一種新技術。網絡家電是將普通家用電器利用數字技術、網絡技術和智能控制技術設計改進的新型家電產品。網絡家電是一種價格低廉、操作簡便、實用性強、帶有PC主要功能的家電產品。物聯網智能家居現在處于起步階段，由于智能家居受產品生產廠家的限制，在短時間內還沒有統(tǒng)一的標準協議，所以一般都是一個廠家單獨做系統(tǒng)研發(fā)的。智能家居產品大規(guī)模批量化生產還需要時間加之協議不統(tǒng)一，隨之帶來的

17、就是產品成本相對較高。國內從事智能家居行業(yè)的生產廠家魚龍混雜，良莠不齊，有獨立從事智能家居系統(tǒng)的生產企業(yè)，有家電行業(yè)兼做智能家居系統(tǒng)，有安防企業(yè)兼做智能家居系統(tǒng)的，還有運營商也參與到智能家居行業(yè)的，各自的出發(fā)點不同，所以生產出的產品也就各不相同產品質量參差不齊，影響了消費者對智能家居產品的信任；再者智能家居行業(yè)的售后服務水平較低，智能家居系統(tǒng)相對比較復雜，系統(tǒng)之間的關聯性較大，出問題的幾率相對較高，這時候如果售后服務不能到位的話則會嚴重影響客戶對智能家居產品的滿意度。這些問題嚴重制約了智能家居行業(yè)的發(fā)展。所以目前在中國只有少部分用于試點研究安裝，真正用于生活的還不多見。1.2 論文的結構論文的

18、結構主要分四個部分：1. 緒論。主要介紹物聯網智能家居的背景、意義、現狀。2. 系統(tǒng)開發(fā)工具。主要介紹系統(tǒng)設計需要的技術工具。3. 需求分析。主要介紹系統(tǒng)功能需求性。4. 系統(tǒng)設計。主要介紹系統(tǒng)各個部分設計。2 系統(tǒng)開發(fā)工具該部分主要介紹系統(tǒng)所采用的技術及開發(fā)工具，涉及,采用的架構ZigBee技術的模塊、無線傳感器網絡（WSN）、GPRS通信模塊等。2.1 ZigBee技術無線傳感器技術是目前無線通信領域內研究的一個熱點技術，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌

19、入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。所謂傳感器網絡是由大量部署在一定區(qū)域內的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的能根據環(huán)境自主完成指定任務的分布式智能化網絡系統(tǒng)。傳感器網絡的節(jié)點間距離很短，一般采用多跳(multi-hop)的無線通信方式通信。傳感器網絡可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網關連接到互聯網，使用戶遠程訪問4。ZigBee技術譯為紫蜂技術，是一個有關組網、安全和應用軟件方面的新型傳感器網絡，被稱作IEEE802.15.4 (ZigBee) 技術標準在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責

20、制定物理層和MAC層的協議，其余協議主要參照和采用現有的標準，高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。其結構簡單、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的雙向無線網絡通信技術，主要適合于自動控制領域， 可以嵌入各種設備中， 同時支持地理定位功能。完整的ZigBee協議套件由高層應用層、 應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。其協議如圖2-1所示： 應用層匯聚層網絡層數據鏈路層LLCMAC物理層圖2-1 IEEE802.15.4協議架構物理層分別是2.4GHz物理層和868915MHz物理層，它們都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum

21、，直接序列擴頻)技術，使用相同的物理層數據包格式，區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。其中2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段， 有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低，該頻段的物理層使用了16個信道、250kb/s的傳輸速率。 數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質訪問控制子層(MAC)。LLC子層功能包括傳輸可靠性保障、數據包的分段與重組、數據包的順序傳輸；MAC層通過SSCS ( Service Specific Convergence Sub layer，業(yè)務相關的會聚子層) 協議能支持多種LLC標準，其功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和拆除

22、、確認模式的幀傳送與接收、信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理。 網絡層采用基于ad hoc技術的網絡協議， 功能包括拓撲管理、 MAC管理、 路由管理和安全管理根據節(jié)點的不同角色，可分為全功能設備 (Full Function Device；FFD)與精簡功能設備(Reduced Function Device；RFD)。前者具備控制器(Controller)的功能，能夠提供數據交換；后者電路較為簡單且存儲體容量較小，只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據。應用匯聚層負責把不同的應用映射到ZigBee網絡層上，包括安全與鑒權、多個業(yè)務數據流的匯聚、設備發(fā)現和業(yè)務發(fā)現。 應用層定義

23、了各種類型的應用業(yè)務是協議棧的最上層用戶。 2.1.1 ZgBee特點無線傳感器網絡(WSN)由大量的節(jié)點根據自組織網絡的方式構成，一般節(jié)點通過各種方式大量部署在被感知對象內部或者附近。這些節(jié)點通過無線自組織傳輸網絡，以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中的信息，可以實現對任意地點的信息在任意時間的采集、處理和分析5。無線傳感器網絡結構如圖2-2所示(虛線表示無線鏈路，實線表示有線鏈路)。圖2-2 無線傳感器網絡結構1. 無中心。WSN 沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網絡。節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。2. 自組織。

24、網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節(jié)點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為,節(jié)點開機后就可以快速、 自動地組成一個獨立的網絡。3. 動態(tài)拓撲。WSN 是一個動態(tài)的網絡，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其它故障，退出網絡運行，也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。ZigBee會根據網絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化，因此網絡應該具有動態(tài)拓撲組織功能。4. 節(jié)點數量眾多，分布密集。WSN節(jié)點數量大、分布范圍廣。這樣的無線傳感器網絡具備一定的軟、硬件健壯性和容錯性。2.1.2 ZigBee技術的優(yōu)勢1. 低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6-24個月

25、，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。2. 低成本。通過大幅簡化協議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協議專利費。3. 低速率。ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。4. 近距離。傳輸范圍一般介于10100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。5. 短時延。ZigBee的響應速度較快，一般

26、從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3-10s、WiFi需要3s。6. 高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網。7. 高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。8. 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療2.4GHz(全球) (ISM)頻段。ZigBee的這些特點

27、使之最適合作為傳感器網絡的標準。2.2 無線傳感器網絡 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, 簡稱WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。 隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System,簡稱MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC， System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網絡(Wireless Se

28、nsor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡6。 很多人都認為，這項技術的重要性可與因特網相媲美：正如因特網使得計算機能夠訪問各種數字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網絡將能擴展人們與現實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現在的無線傳感器網絡就如同遠在 1970 年的因特網，那時因特網僅僅連接了不到 200所大

29、學和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協議和尋址方案。而現在，大多數傳感器網絡只連接了不到 100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復雜難纏而無法正常工作。另外一個原因是單個傳感器節(jié)點的價格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個月。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網絡的產品已經上市，并且具備引人入勝的功能的新產品也會在幾年之內出現。 無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現象?；贛EMS的微傳感技術和無線聯網技術為無線傳感器網絡賦予了廣

30、闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。2.3 GPRS通信模塊GPRS是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業(yè)務。GPRS可以說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸的方式不同，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS經常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代（2G）和第三代（3

31、G）移動通訊技術之間。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。GPRS突破了GSM網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數據速率卻相當可觀。而且，因為不再需要現行無線應用所需要的中介轉換器，所以連接及傳輸都會更方便容易。如此，使用者既可聯機上網，參加視訊會議等互動傳播，而且在同一個視訊網絡上（VRN）的使用者，甚至可以無需通過撥號上網，而持續(xù)與網絡連接。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數據被分成一定長度的包（分組），每個包的前面有一個分組頭（其中的地

32、址標志指明該分組發(fā)往何處）。數據傳送之前并不需要預先分配信道，建立連接。而是在每一個數據包到達時，根據數據報頭中的信息（如目的地址），臨時尋找一個可用的信道資源將該數據報發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數據的發(fā)送和接收方同信道之間沒有固定的占用關系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用。GPRS由于數據業(yè)務在絕大多數情況下都表現出一種突發(fā)性的業(yè)務特點，對信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進行數據傳送將能夠更好地利用信道資源。例如一個進行WWW瀏覽的用戶，大部分時間處于瀏覽狀態(tài)，而真正用于數據傳送的時間只占很小比例。這種情況下若采用固定占用信道的方式，將會造成較大的資源浪費。在系統(tǒng)中，使用串

33、口和GPRS模塊進行通信，將我們的數據通過GPRS模塊發(fā)送到用戶手機上。3 需求分析隨著社會經濟結構、家庭人口結構以及信息技術的發(fā)展變化,人們對家居環(huán)境的安全性、舒適性、效率性、透明性提出了更高的要求。同時越來越多的家庭要求家居產品不僅要具備簡單的智能，更要求整個系統(tǒng)在功能擴展、外延以及服務方面能夠做到簡單、方便、輕松、安全。很顯然我們的家居生活需要改變，智能家居系統(tǒng)提供廣泛的信息交互功能，優(yōu)化居住環(huán)境，幫助人們有效地利用網絡的便捷性各種實現了對家居環(huán)境的控制。智能家居產品為家居環(huán)境、家電設備提供一個共享的接入中心，實現對家庭 環(huán)境及其設備的智能管理、遠程管理、集中管理和資源共享。隨著網絡科技

34、的高 速發(fā)展，在可以預見的未來，在智能化住宅中，以寬帶網絡將家里的電腦、電視 機、家電、安防系統(tǒng)等連成一體的自主控制、擴展、享用的工作、學習、娛樂家 庭綜合信息服務平臺。3.1 實際業(yè)務工作流程整個系統(tǒng)主要由三部分組成：傳感器節(jié)點WSN網絡，嵌入式服務器終端，GPRS通信模塊及其他裝置。其中傳感器節(jié)點網絡中包含了多個無線傳感器節(jié)點，每個節(jié)點都是由一個傳感器模塊加上一個ZigBee通信模塊組成的。傳感器進行實時的檢測，檢測到的數據通過ZigBee通信模塊傳到節(jié)點控制，節(jié)點控制處理收集到的信息，做出相應的操作處理。手機終端可以遠程通過GPRS網絡，連接到嵌入式服務器終端中心控制臺，中心控制臺處理連

35、接的信息，通過ZIgBee模塊發(fā)送處理信息到相應的ZigBee模塊，節(jié)點控制臺收到指令作出相應的處理。系統(tǒng)流程如圖3-1。圖3-1 整體框架圖3.2 設計目標由于住宅設計情況比較多種多樣性，信號的覆蓋采取整體設計，局部進行設計實施，由于每個房間的封閉性，可能會引起信號的衰減，采取信號覆蓋區(qū)域連接，各個區(qū)域內的信號能夠連通進行信號的傳輸，系統(tǒng)使用的無線信號傳輸頻率是2.4GHz，在此頻率的無線傳感網絡為全球統(tǒng)一的，無需申請的ISM頻段，同時可以對無線信號進行加密，保證了無線傳輸數據的安全性。根據物聯網智能家居系統(tǒng)的需求進行開發(fā)設計，主要實現如下設計目標：1. 當用戶需要遠程控制的空調開關時，只要

36、用手機發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與空調相連接的控制器上，通過控制器實現了對空調的控制。2. 當用戶需要遠程控制窗簾的開關時，只要用手機發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與窗簾電機相連接的控制器上，通過控制器實現了對窗簾的控制。3. 當用戶需要遠程控制窗戶的開關時，只要用手機發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識別的命令

37、傳輸給家庭控制器，控制器經過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與窗戶連接的控制器上，通過控制器實現了對窗戶的控制。4當我們需要遠程控制電視機的開關時，只要用手機發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與電視機相連接的控制器上，通過控制器實現了對電視機的控制。5當我們需要遠程控制空氣加濕器的開關時，只要用手機發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與空氣加濕

38、器相連接的控制器上，通過控制器實現了對空氣加濕器的控制。3.3 設計特點1它的對象是結構和特性完全相異的各種家用電器，相互之間兼容性比較差，電器之間的數據共享比較困難。2家電的信息量小但對實時性要求較高，必須針對當時的家庭環(huán)境進行實時的調整。3家電運行時所處環(huán)境有很大差異，對系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求較高。4家庭用戶對于價格要求比較高，必須把組建網絡的費用降低到一定程度，才能被廣泛認可和接受。5家電完成的功能各有不同，需要達到的智能水平也有很大的差異，要針對不同的功能要求，設計不同家電的智能水平(比如說，如果讓電燈也共享Internet資源，顯然沒有必要，但是家中的煙霧設備則需要較高的智能水平

39、)。6從用戶的角度來說，用戶需要簡化家電的操作過程，統(tǒng)一家電的操作方法因此，組建智能家庭網絡時需要考慮的問題有很多。3.4 設計原則基于設計的特點，列出了系統(tǒng)設計原則：1.標準化:家庭自動化產品應當依照國際上流行的相關協議進行設計，充分保證各廠家產品間的兼容性和相互操作能力。2.開放性:目前，在智能住宅、家庭自動化、家電網絡領域尚處于一家一戶自行開發(fā)的局面，而實際上用戶不可能全部使用同一廠家生產的產品，這將極大阻礙互聯互通和長遠發(fā)展。因此，家庭自動化系統(tǒng)應該具有開放的協議、統(tǒng)一的接口。3.模塊化:采用模塊化的設計可以適應各種場合的需要，保障用戶的利益并允許系統(tǒng)的逐步到位。模塊之間遵循一定的協議

40、，可以相互通訊和協調。4.實用性:人們購買家庭自動化產品是為了享有更加便利舒適的生活，絕非追逐潮流的概念。5.普及化:家庭自動化系統(tǒng)應該面向低成本、高性能的目標設計，住戶對價格較為敏感，所以智能住宅采用的技術要較為經濟。同時，家庭自動化系統(tǒng)應該能最大程度兼容用戶原有電器設備，保護用戶投資。6.簡潔易用:高科技帶來的應該是一種享受而絕不是一種負擔。好的家庭自動化產品應該簡便易用、用戶界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。3.5 功能需求對于家居生活環(huán)境，因每個人的不同，要求得也不盡相同。功能的設計要求主人能夠遠程設置家居環(huán)境，如圖3-2。圖3-2 智能家居邏輯圖1主人可以通過手機設置

41、空調溫度。2主人可以通過手機設置窗簾的開啟和關閉。3主人可以通過手機設置窗戶的開啟和關閉。4主人可以通過手機設置電視的開關。4 系統(tǒng)設計 物聯網智能家居要將各成體系，互不相連的子系統(tǒng)協調起來，就必須有一個兼容性強的中央家居處理平臺，接受并處理控制設施發(fā)出的信息，然后傳送信號給你希望控制的家電或者其他家居子系統(tǒng)。中央處理平臺職能就是在家庭智能局域網中，引導和規(guī)劃家居子系統(tǒng)中的各種信號，有了它，你可以通過手持無線遙控設備來和家居子系統(tǒng)進行快速的溝通。中央家居處理平臺還必須具有良好的擴展性能，以滿足用戶在使用過程中不斷增長的需求點。 目前已經出現的主流中央家居處理平臺分為兩類，其中一類平臺是網關式中

42、央家居處理平臺。這種方式推出的家庭網關集成智能家居系統(tǒng)中，網關與中央家居處理平臺組合，這種平臺能夠與家庭安全防范系統(tǒng)、家庭自動化系統(tǒng)，以及互聯網結成一體，實現家電控制、娛樂、交流和信息分享等方面的智能化。第二種則直接利用家用電腦去控制各種家電設備。 智能家居系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關的通訊設備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環(huán)境的和諧與協調。這些功能都是通過智能家居系統(tǒng)中的家庭網絡控制器未實現的，家庭網絡控制器具有家庭總線系統(tǒng)、通過家庭總線系統(tǒng)提供各種服務功能、并和住宅以外的外部世界相通連

43、。可以這樣說，智能家居系統(tǒng)是智能住宅的核心。由此可見，智能家居系統(tǒng)在智能住宅中的重要地位。本系統(tǒng)的設計選擇了第一種平臺，主要是三個模塊：傳感器節(jié)點WSN網絡模塊，嵌入式服務器終端模塊，GPRS通信模塊及其他裝置。4.1 傳感器節(jié)點WSN網絡模塊設計WSN模塊主要是以AT89C51為核心處理器，使用多個I/O口進行傳感器檢測陣列的信號采集，其中包括溫度、濕度、光線、煙霧有害氣體等信號的檢測，如煙霧傳感器負責煙霧中有害氣體的檢測，煙霧傳感器如圖4-1。圖4-1 煙霧傳感器 煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體

44、濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。所以系統(tǒng)采用煙霧傳感器對家用的天然氣、煤氣、煙霧進行監(jiān)控檢測。氣體煙霧感應器是這個模塊的主要器件；U1BLM323 運算放大器是把采集的信號放大，傳輸到ZigBee無線模塊,運算放大器是延時作用,繼電器是相當一個開關的作用，在這里只要有信號輸出，繼電器就閉合，其余的時間都是斷開的,喇叭有報警的作用,PT2262是無線模塊的芯片，是發(fā)送信號給中心控制器。通過傳感器采集到的數據，由ZigBee無線模塊傳輸到節(jié)點控制器，然后由紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進行家電設備控制信號的發(fā)射，可以完成家庭內部控制和GPRS遠

45、程控制；使用通信串口連接無線數據傳輸芯片ZigBee網絡模塊,ZigBee網絡模塊是UART 接口半雙工無線傳輸模塊。本文采用了加強型的ZigBee無線技術，符合工業(yè)標準應用的無線數據通信設備，可實現多設備間的數據透明傳輸；通過無線ZigBee進行組網通信，無線功能強大，具備中繼路由和終端設備功能。WSN網絡模塊硬件結構框圖如圖4-2，WSN在家庭中的網絡信號覆蓋如圖4-3。圖4-2 WSN網絡模塊硬件結構框圖圖4-3 網絡信號覆蓋4.2 嵌入式服務器終端模塊設計嵌入式服務器終端模塊硬件主要有中心控制器、GPRS模塊和ZigBee網絡模塊。其中中心控制器是單片機，單片機為本系統(tǒng)的核心部件，它除

46、了具備單片機最小系統(tǒng)的必備期間外，它的串口通過RS232電路與MC703模塊通信，單片機的P0口與顯示器相連，P1口與鍵盤相連。P2口用各種控制及傳感器的連接。GPRS模塊采用華為的MC703模塊如圖4-4，該模塊具有一路串口，波特率為bps，通過該路串口，該模塊可以與單片機進行通信。另外，華為公司的MC703模塊價格相對低廉，且支持部分標準AT命令，此外還支持華為公司拓展的命令，使用起來更加的靈活7。ZigBee網絡模塊可以方便用戶使用各種移動智能終端，輕松控制任何基于ZigBee協議的產品，實現無線數據高速、安全、可靠傳輸。如圖4-5為ZigBee無線網絡模塊。圖4-5 MC703模塊圖4

47、-5 無線網絡模塊本系統(tǒng)采用ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，完成所有家庭內部數據的處理，包括數據的采集與控制命令的發(fā)出，是整個智能家居控制的核心，采用Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動運行、處理數據，通過串口管理、無線網絡來控制各控制終端，并且中心控制器通過GPRS模塊實現家庭系統(tǒng)與手機的通信，使用戶可以通過短信方式實現家庭系統(tǒng)的遠程控制8。服務器控制端硬件結構框圖如圖4-6。圖4-6 服務器控制端硬件結構框圖整個系統(tǒng)以智能家居中心控制臺做為信息的控制中心，負責各個模塊的協調其中手機終端可以向主機發(fā)送查詢與命令信息，空調控制模塊與窗簾控制模塊等為智能控制模塊，具有

48、單獨的模塊控制程序，它們向主機發(fā)送溫濕度信息，同時分別接收主機發(fā)送的空調控制信號，主機通過程序查詢的方式獲取此信息。人體感應模塊與液化氣泄露檢測模塊則只能向主機發(fā)送信號，主機通過中斷方式獲取其信息9。因此系統(tǒng)中主機的軟件控制成為關鍵因素。WSN網絡模塊與嵌入式服務器終端模塊通過基于ZigBee的無線網絡完成通信，傳輸一個指令的數據包由以下幾部分組成：起始編碼bite01,地址編碼bite2,數據類型編碼bite4,功能編碼bite5,效驗編碼bite6,結束編碼bite7.每個編碼1個字節(jié)，發(fā)送數據范圍在0255之間，不同家庭內部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號的干擾，每個接收終端在接收到數

49、據后，都進行地址碼判斷是否為自己接收的數據包，是則接收，否則不接收，接收到數據包后，對數據要執(zhí)行的功能進行校驗，校驗正確，則進行解碼，并且在解碼成功后通過ZigBee的無線網絡發(fā)出一個確認接受碼，中心控制器在接收到確認接收碼后停止再次發(fā)生控制指令，否則間隔100ms再次發(fā)生相同指令，確保整個ZigBee的無線網絡數據通信的準確性和完整性。每個智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號后，必須根據信號完成相應家庭內部的控制工作，所以家電設備的控制信號都是由統(tǒng)一的嵌入式服務器終端模塊外編碼完成的10。整個模塊的電路如圖4-7。圖4-7 電路原理圖主機的單片機采用ARM的ATmega128，具有4K的

50、EPROM，4K的SRAM，支持8個外部中斷，53個可編程I/O口3，完全滿足系統(tǒng)的硬件、軟件設計要求。EPROM 可編程存儲器的引入便于以軟件方式，在斷電的情況下保存系統(tǒng)的狀態(tài)變量，如各種模式開關狀態(tài)變量。各個功能以模塊的形式實現，各個模塊的切換通過狀態(tài)機的完成11。單片機的初始化數據設置：void main(void)LCD_init(); / LCD 初始化Uart1_init(); / 串口初始化Device_init(); / 中斷初始化LCD_Display(); / 液晶顯示rF905_init(); / rf905 模塊初始化GSM_init(); / GSM 模塊初始化EEP

51、ROM_READ(0x22,SysInforBuf); /在EPROM 中讀取系統(tǒng)狀態(tài)信息state=SMS_Standby; /設定系統(tǒng)初始狀態(tài)while(1)switch(state)case Dehumidifier: /自動抽濕狀態(tài)Dehumidifier_75();break;case SMS_Standby: /接收GSM 模塊回復信息Receive_Check();break;case SMS_CMGR: /讀取手機短信并處理Receive_CMGR();break;case SMS_CMGD: /刪除手機短信break;case SMS_CMGS: /向手機發(fā)送短信Receiv

52、e_CMGS();break;case SMS_Answer: /讀取手機來短信信息Receive_Ans();break;default:break;為了保證電路的可靠性，復位電路是必不可少的一部分，復位操作有手動復位和上電自動復位兩種。如圖4-8、圖4-9所示的復位電路基本功能是：當系統(tǒng)上電時，提供復位信號，直到系統(tǒng)電源穩(wěn)定撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的演示才撤銷復位信號，以防止電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。其中手動復位電路的工作原理：在單片機啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)

53、正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據串聯電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復位。 圖4-8 上電復位電路圖圖4-9 手動復位電路圖4.3 GPRS通信模塊設計 以ARM6410為總控制核心，通過GPRS進行遠程數據的發(fā)送與處理，使用6410串口與GPRS進行數據通信，可以將家庭內部數據信息發(fā)送給遠離房間的主人手機，并可以通過主人手機發(fā)送

54、的控制信息控制房間內家電設備。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過GPRS網絡連接到Internet網絡，并主動與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進行雙向數據通信。此部分采用的是華為MC703的模塊接收和傳送用戶手機短信息。單片機對收到信息進行解釋同時將處理結果通過ZigBee無線網絡傳給相應節(jié)點達到控制目的，實現外部網絡對室內控制。在MC703的基帶處理器上有一個綜合SIM接口，他直接接線到主機接口(端到端連接器)用于連接到外部的SIM卡座。電路圖如圖4-10。圖4-10 MC703與AT89S52連接的電路圖這里接的SIM卡有6個引腳CCCLK，CCVCC，CCIO，CCRST，C

55、CIN以及CCGND分別對應接在TC35i的第24到第29個引腳上。模塊的連接器和SIM卡座的引腳之間的距離不要超過20 cm，為了達到最佳的效果，在SIM支架下敷設一層銅隔離網，該層敷銅與SIM卡的CCGND引腳相連。CCVCC和CCGND之間的兩個電容要離引腳盡量近，并且走線盡量阻抗低，以滿足規(guī)范要求。單片機與鍵盤相連，可以通過鍵盤來向單片機發(fā)送數據。該單片機的振蕩器的晶振為11.0592 MHz，數據傳輸率設置為9600 b/s。單片機的復位鍵RESET為高電平時復位。114引腳為電源部分，其中l(wèi)5引腳為電源電壓輸入端VBATT+；610引腳為電源地GND；1112引腳為充電端；13引腳

56、為對外輸出電壓(供外部電路使用)；14引腳ACCU/TEMP接負溫度系數的熱敏電阻；2429引腳為SIM卡連接端；3340引腳為語音接口用來接電話手柄。15、30、31和32引腳為控制部分；15引腳為啟動線IGT(Ignition)。當TC35i通電后必須給IGT一個大于100 mV的低電平，模塊才能啟動。30引腳為RTC back up；31引腳為掉電控制；32引腳為SYNC，1623引腳為數據輸入/輸出端。GPRS通信模塊設計采用了內嵌TCP/IP協議的G24GPRSOEM。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM 卡、相關的電平轉換電路和RS

57、 232串口組成。其供電電壓為5V,可采用USB端口供電；通過RS 232串行口與智能家居控制器ARM進行通信。單片機與GSM模塊采用串行異步通信接口，由于單片機與GSM模塊工作電平不一致，二者之間要用電平轉換電路連接。GSM模塊通過I2C總線擴展了一個E2PROM存儲器芯片AT24C64，其主要作用是存儲手機發(fā)送的短消息。該芯片能夠反復擦/寫，能夠持久保存數據，而且斷電信息也不會丟失，這些特性正是存儲數據所必需的。在單片機通過I2C總線擴展了一個Flash存儲器，系統(tǒng)選用Am29F016D作為閃存(Flash)，單片存儲容量為2M字節(jié)，16位數據寬度，用于存放顯字庫信息?，F在市場上大多數手機均支持GSM07.05規(guī)定的A